基于數(shù)字孿生水利工程的對象編碼探究與實踐

中國長江電力股份有限公司 楊旭 張玉柱

推進智慧水利建設(shè)是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的實施路徑之一，構(gòu)建數(shù)字孿生流域是建設(shè)智慧水利的核心。長江三峽流域智慧水利體系建設(shè)還不完備，三峽是我國重要的水利樞紐工程，水資源管理難度較大，防洪形勢嚴(yán)峻。如何高效利用和管理指定流域內(nèi)的水資源，運用現(xiàn)代化的信息手段構(gòu)建有效的預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的四預(yù)體系是當(dāng)前三峽流域水利信息化過程中亟待解決的關(guān)鍵問題。本文梳理了三峽流域概況、四預(yù)體系建設(shè)基礎(chǔ)，基于擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的貴仁模型云平臺提出了長江三峽數(shù)字孿生水利工程體系的具體構(gòu)建方法，可為三峽數(shù)字孿生智慧水利建設(shè)、研究數(shù)字孿生對象編碼體系提供相關(guān)參考。

國家智慧水利的建設(shè)發(fā)展是我國水利事業(yè)高速化發(fā)展的重要標(biāo)志之一，數(shù)字孿生水利工程體系是當(dāng)前我國智慧水利的核心組成部分[1]。數(shù)字孿生流域是數(shù)字孿生地球的重要組成部分，理清數(shù)字連勝流域理論定義和內(nèi)涵是研究和建設(shè)數(shù)字孿生流域的前提和基礎(chǔ)，對流域智慧化管理具有重要意義[2]，推進數(shù)字孿生技術(shù)在智慧水利建設(shè)中的應(yīng)用，加速建立具備四預(yù)功能的智能流域體系和水工程，可有助于有關(guān)部門更精準(zhǔn)、科學(xué)地制定防洪減災(zāi)措施，在洪澇災(zāi)害之前做好充足的準(zhǔn)備，減少對人民的生命財產(chǎn)安全造成的損失，構(gòu)建起完備的數(shù)字孿生智慧水利體系，促進水利事業(yè)在新階段快速發(fā)展[3]。

隨著近年來該流域內(nèi)水利工程的修建與不斷完善，河道所在的下墊面特征發(fā)生了一定程度的變化，進行洪水預(yù)報的難度加大[4]，全球氣候的改變和陸地表面生態(tài)環(huán)境的演化，對極端天氣狀況下進行多尺度水文預(yù)報是水文氣象領(lǐng)域的焦點問題[5]，長江三峽流域水文形式復(fù)雜，需要合理配置水資源，減少洪澇災(zāi)害造成的損失，亟待相關(guān)人員研發(fā)基于貴仁模型云平臺的數(shù)字孿生水利工程編碼體系。

1 研究背景

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷推進，數(shù)字孿生技術(shù)趨向于在系統(tǒng)建模技術(shù)和仿真應(yīng)用的輔助下演化成為復(fù)合的應(yīng)用技術(shù)，加上采集和信息傳輸、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算、人工智能等包含的海量數(shù)據(jù)分析存儲、超強的分析計算、數(shù)據(jù)分析推理能力，基于大模型的數(shù)字孿生技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

智慧水利工程的運行管理是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，水利工程運行監(jiān)測、質(zhì)量監(jiān)測、調(diào)度運行、設(shè)備運維等是其主要的組成部分，各個組成部分又相互聯(lián)系。其中設(shè)備運行管理主要是運用數(shù)字流域映射技術(shù)對流域內(nèi)各類水利工程的監(jiān)測運行數(shù)據(jù)進行綜合管理。具體來說，就是利用三維建模技術(shù)完成針對系統(tǒng)工程內(nèi)的水利工程進行實時數(shù)據(jù)采集從而完成智慧水利工程的系統(tǒng)建設(shè)。數(shù)字孿生技術(shù)正逐步應(yīng)用于智慧水利的系統(tǒng)建設(shè)，并且實現(xiàn)了對各類水利工程真實運行狀態(tài)的記錄歸檔。

2 應(yīng)用實踐

2.1 水利工程數(shù)字孿生體系

水利工程數(shù)字孿生體系中類型多樣，通常包括智能預(yù)警平臺、智能感知平臺、水利樞紐監(jiān)測系統(tǒng)、水庫調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)、電站運營監(jiān)測平臺、工程建設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)、流域綜合態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)、大屏數(shù)據(jù)可視化等。基于數(shù)字孿生的水利工程編碼體系架構(gòu)需要考慮水利樞紐監(jiān)測系統(tǒng)、水庫調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)、電站運營監(jiān)測平臺、流域綜合態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)、工程建設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)等的具體設(shè)計流程。

（1）電站運營監(jiān)測平臺主要是通過三維建模，對壩體、電站、閘門等要素的外觀、復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)等信息進行三維仿真顯示，并可集成視頻監(jiān)控、設(shè)備運行監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測以及其他傳感器實時上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)展示閘門狀態(tài)啟閉開度狀態(tài)、下泄流量、閘門開啟次數(shù)、閘門排序等樞紐信息，對機組運行時間、出力特征值、水位、負(fù)荷等數(shù)據(jù)進行可視化分析，支持設(shè)備運行異常實時告警、設(shè)備詳細(xì)信息查詢，輔助管理者直觀掌握電站運行狀態(tài)；（2）水利樞紐監(jiān)測系統(tǒng)是基于數(shù)字孿生技術(shù)，對具體水庫壩體、地形地貌、水情態(tài)勢、閘門開閉、設(shè)備（電站機組/排澇泵/水文站等）運行態(tài)勢等要素信息進行真實復(fù)現(xiàn)，對庫區(qū)天氣、水情、浸潤線及位置、視頻監(jiān)控等信息進行實時監(jiān)測；同時結(jié)合專業(yè)模型算法、AI 應(yīng)用，對水庫水雨情、流量水量、有功出力、壩體位移、發(fā)電負(fù)荷等關(guān)鍵指標(biāo)進行多維度綜合分析，對異常態(tài)勢進行實時預(yù)警告警，輔助用戶進行水庫防洪“四預(yù)”精準(zhǔn)決策和研判；（3）水庫調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)集成各水庫監(jiān)測管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，基于地理信息系統(tǒng)，對水庫的位置、范圍、狀態(tài)等信息進行直觀展示，對入庫徑流量、水庫蓄水量、防洪庫容、可用水量等數(shù)據(jù)指標(biāo)進行多維度分析研判，對水庫調(diào)蓄能力不足、水位超限等異常態(tài)勢進行可視化預(yù)警告警，提升水庫運行監(jiān)管力度，為防洪、興利等工作提供決策支持。

2.2 編碼對象類型

三峽流域水利工程眾多且工況復(fù)雜，在進行基于貴仁模型云平臺的數(shù)字孿生水利工程對象編碼之前首先需要對流域內(nèi)各個類型的水利工程進行分類并進行定義。三峽范圍內(nèi)水利工程的對象主要包括水庫、水電站、子水電站、機組、閘門等，在完成了對上述水利工程對象的分類定義之后，考慮到水利工程對象是相關(guān)屬性及其操作的封裝體，需要參考編程領(lǐng)域面向?qū)ο笏枷爰皵?shù)字孿生中孿生體建模方法規(guī)范對水利工程物理對象進行數(shù)字化表達。

如圖1 所示，水庫對象類型結(jié)構(gòu)主要包括水庫的基礎(chǔ)屬性、數(shù)據(jù)屬性、組成對象、關(guān)聯(lián)對象與業(yè)務(wù)行為。其中基礎(chǔ)屬性主要指對象的靜態(tài)屬性信息，包括基礎(chǔ)信息、空間位置、特征曲線等不同類型的基礎(chǔ)屬性；數(shù)據(jù)屬性是對象的動態(tài)數(shù)據(jù)信息，一般為時序數(shù)據(jù)，按照業(yè)務(wù)場景可以劃分為雨量、水位、流量、出力、氣溫、綜合等六大類型，系統(tǒng)支持按需增補；組成對象包含子對象信息，如水庫包含水電站、水庫大壩、水閘、船閘等組成對象；關(guān)聯(lián)對象是與當(dāng)前對象有關(guān)聯(lián)關(guān)系的對象，如區(qū)間流域與其來水流域之前構(gòu)成關(guān)聯(lián)關(guān)系；業(yè)務(wù)行為是與當(dāng)前對象有關(guān)的業(yè)務(wù)事件或行為，如流域的徑流預(yù)報、水庫的調(diào)度、河道的淹沒分析、水質(zhì)擴散等。

另外，針對小流域預(yù)報調(diào)度編碼業(yè)務(wù)，制定水庫防洪優(yōu)化調(diào)度方案需要考慮流域內(nèi)的水庫調(diào)度和下游的防洪要求，需要的資料主要包括以下幾個方面：水庫的工程概況、水庫特征、調(diào)度規(guī)則等資料；流域的降雨資料，包括日降雨資料與汛期時段降雨資料，一般現(xiàn)有的降雨資料是流域內(nèi)各雨量站點的實測數(shù)據(jù)資料，而在實際預(yù)報中應(yīng)用的是流域的面平均雨量，因此需要流域內(nèi)雨量站的分布情況及其權(quán)重資料；前期影響雨量是洪水產(chǎn)流預(yù)報的重要影響因素，因此需要用于確定洪水預(yù)報模型蒸發(fā)量等參數(shù)，以計算場次洪水的前期影響雨量；相應(yīng)于時段降雨資料的流域場次洪水流量過程資料。為了考慮水庫泄洪對下游防洪對象的影響，要對重點預(yù)報斷面進行水位預(yù)報，為保證水位預(yù)報精度需對水庫下游的預(yù)報斷面重新測定水位流量關(guān)系；針對小流域洪水預(yù)報調(diào)度方案，需要充分研究歷史暴雨洪水資料，基于暴雨洪水分布規(guī)律對預(yù)報調(diào)度方案進行適當(dāng)修正。總體上，現(xiàn)有水文資料有各水庫各年的日降雨資料、入庫流量以及溫度數(shù)據(jù)，可以用來計算場次洪水的前期影響雨量。同時，各年汛期的時段降雨資料和洪水資料匹配度也非常高，可滿足小流域洪水預(yù)報、防洪優(yōu)化調(diào)度對水文資料的要求。

在具體實施中可運用三水源新安江模型、改進POA對各水庫進行水文預(yù)報、防洪優(yōu)化調(diào)度計算，通過實測水位反推的入庫流量作為水庫實測流量。根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》（GB/T22482-2008）（以下簡稱《規(guī)范》）規(guī)定，選用徑流總量相對誤差RE(%)、洪峰合格率DQm以及峰現(xiàn)時差合格率DT 三個指標(biāo)來評定水庫入庫徑流預(yù)報方案的精度。

2.3 對象類型結(jié)構(gòu)

水利工程編碼體系對象結(jié)構(gòu)由6 級編碼構(gòu)成，分為公共屬性和私有屬性，不同對象類型的公共屬性編碼部分保持一致，而私有編碼部分有所差別，例如，水庫和相關(guān)水文測站都有流量屬性，在流量屬性部分的編碼規(guī)則要保持一致，其他水庫庫容、汛限水位等是水庫的私有屬性，其編碼體現(xiàn)私有性質(zhì)。三峽相關(guān)水利工程具體編碼格式如圖2 所示。

圖2 對象結(jié)構(gòu)類型編碼格式Fig.2 Object structure type coding format

2.4 實例編碼

依據(jù)編碼對象類型定義與結(jié)構(gòu)定義規(guī)則，以三峽水庫、水電站、子水電站、機組、閘門為例進行實例編碼，具體對象類型及其編碼簡碼對應(yīng)格式可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

對于不同的水利工程對象而言，某個水利工程對象如水庫等包含了不同的屬性條目，例如，在進行水庫入庫流量預(yù)報時，采用分布式水文模型和新安江模型預(yù)報出的入庫流量為不同的屬性條目。屬性條目代表某對象的某個屬性的具體時序數(shù)據(jù)集合，具有唯一性，不存在有多種數(shù)據(jù)來源的可能性，如果有多種數(shù)據(jù)來源，應(yīng)將其歸納為屬性，每種數(shù)據(jù)來源作為該屬性下的一個條目，具體形式參考三峽相關(guān)文本。

表結(jié)構(gòu)中針對各字段的描述如下：各類測針編碼具有唯一性，均由數(shù)字和大寫字母組成的8 位字符串表示，嚴(yán)格按《全國水文測站編碼》執(zhí)行。具體來講，測站名、河流、水系、流域稱通常用中文字符表示；經(jīng)緯度采用測站代表點的東經(jīng)、北緯度，精確到6 位小數(shù)；站址的描述一般用地縣級詳細(xì)地址；其余行政區(qū)劃碼、基面名稱、基面高程均按照當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)規(guī)定制定。

依托貴仁模型云平臺建立交互式編碼模塊，提供模型組件的在線構(gòu)建能力。數(shù)據(jù)中臺設(shè)計應(yīng)能接入水調(diào)自動化系統(tǒng)、氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)、泥沙管理系統(tǒng)、文檔系統(tǒng)、水工程系統(tǒng)、外部互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)清洗、整合、轉(zhuǎn)換等方式建立數(shù)據(jù)倉庫，根據(jù)業(yè)務(wù)建立數(shù)據(jù)集市；進行數(shù)據(jù)治理，建立元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)規(guī)范以及數(shù)據(jù)安全管理；建立算法、模型、規(guī)則、指標(biāo)等計算要素庫；建立標(biāo)準(zhǔn)化計算能力，能夠使用數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)、人工智能等方式進行氣象、水文、調(diào)度、防洪、發(fā)電、生態(tài)、航運等方面科研計算。

3 結(jié)語

我國水系狀況復(fù)雜，利用數(shù)字孿生等先進技術(shù)能夠有效提升對水資源的綜合管理效率。為完成新時期我國的水利管理任務(wù)，無人機、人工智能等技術(shù)逐漸成為先進智慧水利體系的重要組成部分。

三峽基于貴仁模型云平臺的數(shù)字孿生水利工程編碼體系統(tǒng)一流域內(nèi)的各類水利工程的編碼規(guī)則，整合了各類水利工程編碼資源，有助于進一步加快數(shù)字孿生水利工程體系的建設(shè)，提升三峽智慧水利體系的建設(shè)水平。編碼體系的構(gòu)建有利于三峽流域以自然地理、水利工程、經(jīng)濟社會信息為主要內(nèi)容，對物理流域全要素進行數(shù)字化映射，并實現(xiàn)物理流域與數(shù)字流域之間的動態(tài)實時信息交互和深度融合，保持兩者的同步性、孿生性，從而實現(xiàn)對水利系統(tǒng)數(shù)字資源整合、數(shù)據(jù)互通、數(shù)據(jù)共享，加快統(tǒng)一服務(wù)支撐體系構(gòu)建，實現(xiàn)政務(wù)管理集約化、高效化。

引用

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